Все строительные конструкции, огораживающие и защищающие внутренние помещения от атмосферных воздействий: холода, дождя, снега, ветра и пр., называются ограждающими. К ним относятся наружные стены, окна, двери, крыша. А конструкции, воспринимающие нагрузку и обеспечивающие прочность здания, называются не­сущими. Это колонны, балки, перекрытия, стропила. И чтобы сделать дом теплым необходимо правильно выбрать материал, учитывая его теплозащитные свойства именно для ограждающих конструкций.

   При строительстве теплого дома в первую очередь надо учитывать особенности климата той местности, где строится здание и в соответствии с этим выбирать форму дома и его планировку, строительные материалы, приемлемые кон­струкции и необходимую теплозащиту. При этом такие требования к дому, как — тепло, сухо и уютно — оста­ются решающими в большинстве случаев. Многие стремятся построить дом оригинальной конст­рукции, забывая порой о том, что необычность архитектурного решения должна сочетаться с тепловым комфортом. Какие же из физико-климатичейсих факторов — тем­пература и влажнось, скорость и направление ветра, высота снежного покрова и количество выпадающих осадков, глубина промерзания грунта, количество солнечных и пас­мурных дней в году — следует учитывать при строитель­стве теплого дома? Разумеется, те, которые непосредствен­но влияют на изменение температуры и влажности кон­струкций здания и в той или иной мере определяют выбор материала и тип конструкций. Прежде всего это расчетная температура наружного воздуха в районе строительства в холодный период года.    

   Как известно, температура воздуха в одной и той же местности ее бывает одинаковой каждый год. На смену слякотной, серой зиме с моросящим дождем на следующий год приходит крепкий мороз с хрустящим снегом и ясной солнечной погодой. Поэтому для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций применяют осредненные температуры наружного воздуха: среднюю температуру наиболее холодной пятидневки, среднюю температуру наиболее холодных трех суток, наиболее холодных суток и абсолютную минимальную температуру наружного воздуха.

Климат России, отличающийся редким разнообразием природных условий, куда более суров, чем Западной Ев­ропы и Северной Америки (за исключением Аляски). Считается, что в США значительно холоднее, чем на со­ответствующих параллелях в большинстве европейских стран, но следует помнить, что их северная граница про­ходит на 49° северной широты, т.е. южнее, чем Волгоград и Саратов.

    Различия между расчетными температурами наружного воздуха надо знать, чтобы правильно выбрать теплозащиту ограждения. Ведь потери тепла конструкцией в течение суток происходят неравномерно. В ночное время, когда воз­дух наиболее холодный, температура наружной поверх­ности стены снижается максимально, и постепенно стена начинает охлаждаться по толщине. Быстрота охлаждения конструкции зависит от ее способности усваивать и отда­вать тепло или от тепловой инерции. В бревенчатом срубе или в здании с массивными кирпичными стенами в самый морозный день человек не ощущает холода. Но в том же помещении, если оно плохо отапливается, через несколько дней после наступления оттепели становится холодно, про­мозгло и неуютно: низкие температуры наружного воздуха вызвали резкое уменьшение температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции. Поэтому остывший за зиму дом приходится протапливать несколько дней.

К ограждающим конструкциям с большой инерционно­стью относятся стены, выполненные из полнотелого глиняного и силикатного кирпича и бревенчатые срубы.

   Степень тепловой инерции стены или покрытия определяют как сумму произведений термических сопротивлений отдельных слоев на коэффициент теплоусвоення материала каждого слоя. По степени тепловой инерции строительными нормами и правилами устанавливаются время, необходимое для охлаждения или прогревания конструкции, b расчетная температура на­ружного воздуха.

Для охлаждения ограждения малой инерционности до­статочно одних суток, поэтому для их теплотехнического расчета принимается средняя температура наиболее холод­ных суток.

Ограждающие конструкции средней инерционности (Д изменяется в пределах 4—7) занимают промежуточное положение. Они могут быть изготовлены из легковесного и многодырчатого кирпича, пустотной керамики. Для этих ограждений расчетной является средняя температура наибо­лее холодных трех суток.

Помимо расчетных температур наружного воздуха не­обходимо учитывать и влажность воздуха в районе строительства. Следует отметить, что влага оказывает огромное влияние, очень часто негативное, на тепло­защитные качества ограждений. Известно, что вода прек­расно проводит тепло, а воздух, особенно сухой, обладает теплоизоляционными качествами. Поэтому строительные материалы с большим количеством пор, заполненных воз­духом, имеют хорошие теплозащитные свойства. Однако, если поры заполняются влажным воздухом или в них проникает влага, теплоизоляционная способность любого материала ухудшается. Кроме того, влага растворяет химические вещества (кислоты, соли, щелочи), которые приводят к быстрому разрушению материалов. Стены отсы­ревают, резко ухудшается микроклимат помещений, чело­век зябнет и часто простужается.

   От относительной влажности воздуха зависит количе­ство влаги, испаряющейся с поверхности ограждения. Чем больше относительная влажность воздуха, тем медленнее происходит испарение. Эта величина является очень важ­ной для проектной и строительной практики и поэтому значение Е приводится в справочниках.

Чрезмерно быстрое высыхание наружных слоев ограж­дающих конструкций и изделий, например бетонных, в начальный период схватывания бетона может вызвать обра­зование трещин и тем самым понизить прочность изделий. При малой относительной влажности воздуха высыхание наружных слоев бетона происходит быстрее, чем протекает процесс постепенного химического связывания при его твер­дении, что приводит к ухудшению структурно-ме­ханических свойств наружных слоев изделия или конструкции. Эти климатические особенности приходится учиты­вать в южных и юго-восточных регионах.

   При повышении температуры воздуха данной влаж­ности его относительная влажность понижается. Это объяс­няется тем, что упругость водяного пара е остается без изменения, а максимальная упругость Е увеличивается. Со­всем противоположное наблюдается при охлаждении воз­духа: увеличивается его относительная влажнось вследствие уменьшения максимальной упругости Е. При некоторой температуре значение е достигнет величины Е, и воздух приобретет относительную влажность р, равную 100%, т.е. достигнет полного насыщения.

    Температура Тр, при которой воздух с данной уп­ругостью водяного пара достигает полного насыщения, на­зывается точкой росы. Если продолжать охлаждение воз­духа ниже точки росы, то предельная упругость водяного пара будет понижаться, и излишнее количество водяного пара, фактически имеющегося в охлаждаемом воздухе, бу­дет конденсироваться, т.е. превращается в капельно-жидкое состояние. 

Рис 1.1. Облекшие ветром прямоугольного здания

1— ветер; 2 — эпюра давления от ветра; 3 — направление движения ветровых потоков

   В зависимости от влажностной характеристики климата в зоне строительства производят выбор материала для утепления существующего или строящегося дома. Следует знать, что теплоизоляционные материалы обладают способностью поглощать влагу, находящуюся в парообразном состоянии, из окружающего воздуха. Это явление называется сорбцией. Наибольшей сорбционной способностью обладают органические материалы - древесина, древесноволокнистые плиты, фибролит, а сравнительно небольшой - кирпич, керамзитобетон, цементный раствор, минераловатные плиты, минеральная вата, минеральный войлок, пенопласты. Хотя проникновение водяных паров вглубь материала происходит достаточно медленно и зависит от плотности материала и температуры воздуха, тем не менее это необходимо учитывать в районах с влажным климатом, когда из года в год будут постепенно снижается не только теплозащитные качества утеплителя с высокими сорбционными характеристиками, но и долговечность ограждающих конструкций.

Рис 1.2. Обтекание ветром жилой застройки

   О том, какое сильное, а иногда разрушительное воздействие оказывает ветер на дома, можно судить по табл. 1.4.

          Таблица 1.4. Шкала Бофорта

Рис. 1.4. Обтекание ветром группы зданий

   Поток ветра, встречая на своем пути здание, не доходя до него, поднимается вверх, проходит над зданием, продолжает подъем и, достигнув определенной высоты, начинает постепенно опускаться вниз. Позади здания образуется область, которая называется областью возникновения и интенсивного движения вихрей. Кроме того, вихревая зона образуется не только позади преграды, но и перед ней.

  По результатам аэродинамических исследований модели жилого микрорайона, при скорости ветрового потока v = 3,5 м/с в определенном направлении (юго-западном) построены кривые относительных скоростей воздуха (рис. 1.5). Из рисунка видно, что наибольшие скорости воздуха в приземном слое наблюдаются с наветренной стороны микрорайона, а также в узких местах разрывов, в своеобразных "коридорах" между зданиями внутри застройки и по периметру микрорайона. Наименьшие скорости воздуха отмечены в основном на заветренной стороне зданий и в защищенных участках вблизи более низких зданий.
   Таким образом, характер застройки вносит существенное изменение в ветровой режим. Поэтому при проектировании и строительстве домов очень важно учитывать особенности движения ветра, чтобы взаимно расположить дома и ориентировать их по отношению к ветрам различных направлений так, чтобы ветровое давление на ограждающие конструкции было минимальным.
    Знание основных климатических факторов и особенностей их влияния на эксплуатационные качества строительных материалов и конструкций позволит всем желающим построить дом своими силами и сделать его теплым, сухим и уютным.

   2.1. НЕМНОГО О ТЕОРИИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

   В холодную, дождливую, ветреную погоду мы всегда стремимся вернуться в теплый дом, где можно, сняв пальто, почувствовать себя в тепле и уюте. Наружные стены, окна, крыша (т.е. ограждающие конструкции) защищают наш дом от низких температур, сильного ветра, осадков в виде дождя и снега и других атмосферных воздействий. При этом они препятствуют прониканию тепла из внутреннего помещения наружу вследствие своего сопротивления теплопередаче. В зависимости от толщины материала конструкция может иметь различное сопротивление теплопередаче: чем больше толщина материала, тем лучшими теплозащитными свойствами обладает ограждение (табл. 2.1).
   Тепло может передаваться разными способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением.
   В чистом виде теплопроводность наблюдается только в сплошных твердых телах. Тепло передается непосредственно через материал или от одного материала другому при их соприкосновении (рис. 2.1). Высокой теплопроводностью обладают плотные материалы — металл, железобетон, мрамор. Воздух имеет низкую теплопроводность. Поэтому через материалы с большим количеством замкнутых пор, заполненных воздухом, тепло передается плохо, и они могут использоваться как теплоизоляционные (семищелевой кирпич, пенобетон, вспененный полиуретан, пенопласт).

Рис. 2.1. Передача тепла через кирпичную стену теплопроводностью

   1 - кирпичная стена

   2 - штукатурка

   Конвекция характерна для жидких и газообразных сред, где перенос тепла происходит в результате движения молекул. Конвективный теплообмен наблюдается у поверхности стен при наличии температурного перепада между конструкцией и соприкасающимся с ней воздухом. В окнах жилых домов конвективный теплообмен происходит между поверхностями остекления, обращенными внутрь воздушной прослойки. Нагреваясь от внутреннего стекла, теплый воздух поднимается вверх. При соприкосновении с холодным наружным стеклом воздух отдает свое тепло и, охлаждаясь, опускается вниз (рис. 2.2). Такая циркуляция воздуха в воздушной прослойке обусловливает конвективный теплообмен. Чем больше разность температур поверхностей, тем интенсивнее теплообмен между ними.